(57)【要約】  蒸気タービン発電設備（１）の出力を迅速かつ柔軟に適合するための、好ましくは変化した電力網負荷に出力を適合するための、さらに好ましくは需要に応じて正および／または負の電力網調整力を調達するための、特に好ましくは一次および／または二次調整力を調達するための方法を図示および説明している。本発明により、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器（６）の放熱時に解放される熱を、発電設備（１）の給水予熱区間（３）に熱結合することが規定されている。
2019526010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸気タービン発電設備（１）の出力を迅速かつ柔軟に適合するための、好ましくは変化した電力網負荷に出力を適合するための、さらに好ましくは需要に応じて電力網調整力を調達するための、特に好ましくは一次および／または二次調整力を調達するための方法であって、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器（６）の放熱時に解放される熱を、前記発電設備（１）の給水予熱区間（３）に熱結合する、方法。
【請求項２】
前記貯蔵器（６）からの熱結合の際、給水予熱のために規定された前記発電設備（１）の蒸気タービン（２）の蒸気抽気が減少またはストップされることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記給水が、前記熱結合のために、バイパス案内において、前記蒸気タービン（２）の抽気蒸気（２５、２６）によって加熱可能な前記給水予熱区間（３）の少なくとも１つの給水予熱器（１４、１７）を迂回して前記貯蔵器（６）へと案内されることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記貯蔵器（６）の放熱時に解放される熱エネルギーが、前記給水予熱区間（３）の高圧領域内に優先的に結合されることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記貯蔵器（６）が、需要に応じて、前記発電設備（１）によって生産される電気出力で蓄熱されることを特徴とする請求項１から４までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記貯蔵器（６）が、需要に応じて、電力網、とりわけ給電網からの電気エネルギーで蓄熱されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記発電設備（１）が、定格負荷でまたは定格負荷〜最低負荷の間の範囲内で運転されること、および前記貯蔵器（６）が、正の調整力を調達するために少なくとも部分的に放熱され、かつ負の調整力を調達するために少なくとも部分的に蓄熱されることを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
前記貯蔵器（６）が、前記発電設備（１）の最低負荷運転時に、負の調整力を調達するため、前記発電設備（１）によって生産される電気エネルギーの少なくとも相応の割合で蓄熱されることを特徴とする請求項１から７までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
前記発電設備（１）の正味出力が、前記発電設備（１）の最低負荷運転時に、前記貯蔵器（６）の蓄熱性能を変更することにより、電力網調整力の需要に適合されることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記貯蔵器（６）の蓄熱性能が、少なくとも最低負荷運転時の発電出力（１）に相当することを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
前記貯蔵器（６）の蓄熱性能が、最低負荷運転時の発電出力（１）より大きいこと、および前記貯蔵器（６）が、前記発電設備（１）の最低負荷運転時に、とりわけ追加的な負の調整力を調達するために、電力網、とりわけ給電網からの電気エネルギーで蓄熱されることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１２】
前記貯蔵器（６）が、前記発電設備（１）の運転停止後に、電力網、とりわけ給電網からの電気エネルギーで蓄熱されることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１３】
前記貯蔵器（６）の放熱時の熱エネルギーが、圧縮された空気流（８）に伝達されること、および前記圧縮された空気流（８）が、追加的な調整力を調達するために、その後の前記給水予熱区間への前記熱結合の前に減圧されることを特徴とする請求項１から１２までのいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
とりわけ請求項１から１３までのいずれか１項に記載の方法を実施するために形成された少なくとも１つの蒸気タービン（２）を備え、および少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器（６）を備えた蒸気タービン発電設備（１）であって、その際、前記貯蔵器（６）の放熱時に解放される熱が、前記給水を加熱するために前記発電設備（１）の給水予熱区間（３）に結合可能である蒸気タービン発電設備（１）。
【請求項１５】
前記給水予熱区間（３）が、前記蒸気タービン（２）の抽気蒸気によって加熱可能な少なくとも１つの給水予熱器（１４、１７）を備えていること、および前記給水予熱器（１４、１７）の傍らを通りすぎて前記貯蔵器（６）を経るような、前記給水（１９）の少なくとも部分的な給水側のバイパス案内が規定されていることを特徴とする請求項１４に記載の発電設備。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蒸気タービン発電設備の出力を迅速かつ柔軟に適合するための、好ましくは変化した電力網負荷に出力を適合するための、さらに好ましくは需要に応じて電力網調整力を調達するための、特に好ましくは一次および／または二次調整力を調達するための方法に関する。それだけでなく本発明は、少なくとも１つの蒸気タービンと、発電プロセスに必要なさらなる設備コンポーネント、例えば給水予熱器、蒸化器、蒸気過熱器、ポンプ、および復水器ならびに給水容器とを備えた蒸気タービン発電設備に関する。特に好ましくは、本発明は粉炭燃焼方式で出力クラスが５０ＭＷel.超、特に好ましくは１００ＭＷel.超、例えば４００ＭＷel.超の発電所に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力市場の規制緩和に基づき、電力網に接続される発電所の柔軟な負荷運転が重要性を増している。これに加えて、例えば風力エネルギーのような再生エネルギーが拡充しており、これが、様々な発電所タイプの出力適合能力への要求をより高くしている。電力網への再生エネルギーの供給が増すことで、従来のエネルギー生産設備は、多くの負荷変化を特徴とする負荷レジームをよりいっそう強いられる。電力網負荷が、つまり給電網内の全電力消費量が予想外に増加すると、つまりすべての発電所のその時に供給する出力を上回ると、これにより発電機に少しブレーキがかかり、したがって配電網周波数が低下する。同じことが、例えば発電所の故障により供給が予想外に減少する場合に起こる。逆に、供給が予想より高い場合または負荷がより低い場合は、配電網周波数が上昇する。配電網周波数を十分に安定に保つには積極的な調整が必要であり、それも特定の時間スケールに応じた様々な寄与による積極的な調整が必要である。この調整のために調整エネルギーが必要とされ、詳しくは、配電網周波数が低すぎる場合には電力網への追加的な供給または電力網負荷の低減が必要とされ、これはそれぞれ「正の調整力」または「正の調整エネルギー」と呼ばれる。配電網周波数が高すぎる場合には、供給を減らすかまたは電力網負荷を増やさなければならず、これは「負の調整力」または「負の調整エネルギー」と呼ばれる。
【０００３】
電力網内の周波数調整に関しては、なかでも一次調整と二次調整が区別される。一次調整は通常、少なくとも０．０２Ｈｚの周波数偏移が生じると介入しなければならない。この場合は３０秒以内で、配電網周波数の偏移に比例して出力変更を行われなければならず、この出力変更を必要に応じて１５分間維持しなければならない。これに対していわゆる「二次調整」は送電網レベルで行われ、かつ明らかにより遅く反応する。二次調整は、最大で１５分以内には開始しなければならない。
【０００４】
周波数偏移は、まずは一次調整により、電力網全体の中の一次調整に関与する発電所に割り振られる。これらの発電所はこのために、関与する発電所から自動的に電力網に放出されるいわゆる一次調整予備力、つまり予備出力を提供する。一次調整は、できるだけ小さい偏移、ただし設定された配電網周波数定格値から偏移しているレベルでのできるだけ小さい偏移の場合の、配電網周波数の安定化に役立つ。これに対し、一次調整に続いて行われる二次調整は、電力網内の発電機と電力需要家のバランスを再び確立し、これにより配電網周波数を再び設定された配電網周波数定格値に戻すという課題を有している。二次調整に関与する発電所はこのために二次調整予備力を提供する。
【０００５】
任意の出力点から、例えば石炭火力発電所の有効電力を上昇させるには、例えば必要に応じて秒単位で出力を呼び起こせる揚水発電所またはガス火力発電所の場合より長くかかることが知られている。石炭燃焼の変化は、分単位の遅れの後にようやく、電力網に放出される有効電力または発電設備の正味電気出力を変化させ、したがってこれにより達成可能な出力勾配は緩やかである。出力上昇はこのように遅れてのみ、対応する配電網に放出され得る。同じことが配電網に放出される出力の低下に当てはまる。
【０００６】
迅速な出力変化をもたらす必要がある場合、迅速に作用する追加措置が必要である。そのような措置の例は、高圧のタービン調整弁の絞り、高圧部分タービンへの過負荷導入、復水せき止め（Kondensatstau（独））、またはさらに給水の予熱区間内の高圧予熱器への抽気蒸気管の絞りである。
【０００７】
こうして例えば復水せき止めにより、短期的に、迅速に、かつ一時的に、タービンの低圧または中圧部分に、より多くの蒸気が提供される。ただし、蒸気発生器の最大出力を十分に下回って蒸気発生器を運転することが前提条件である。要求に応じて、低圧予熱区間を通る復水の質量流量を、したがって低圧および中圧予熱器の抽気蒸気の質量流量も減らし、これにより、より多くの蒸気がタービン内に留まり、それにより、より多くの出力が生産される。復水の質量流量の低減は、給水容器内の水温を変化させないために、かつこれにより蒸気発生への反作用を生じさせないために必要である。余分な復水は貯蔵する。ただしこれらの復水貯蔵器の容積には限界があるので、復水せき止めは数分に限られる。したがって、上昇した出力要求をより長期的に満たすため、および復水せき止めを分単位で引き継ぐために、復水せき止めと並行して蒸気発生器の燃焼率を上げなければならない。給水容器は、減少した復水質量流量でしか供給されないので、これに対応して残量が低下する。蒸気発生器の出力が上昇するにつれて、復水調整ステーションの絞りを、最終的に定常的な運転状態に達するまで再び減らすことができる。元の状態を再び確立するため、貯蔵された復水を再び給水容器に戻さなければならない。したがって、蒸気発生器は復水せき止めを短時間内に再び引き継がなければならないので、復水せき止めによって短期的に調達可能な発電設備の超過出力は、蒸気発生器の最大出力によって制限されている。
【０００８】
給水予熱区間内の高圧予熱器への抽気蒸気管を絞ると、予熱器の熱負荷が高くなり、この場合には蒸気発生器に比較的冷たい給水が送られ、したがってボイラー炉を相応に過大にしなければならない。
【０００９】
復水せき止めおよび既知の絞り法では、効率を下げて発電設備を運転することになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これを踏まえて本発明の基礎となる課題は、発電設備の有効電力の迅速かつ柔軟な上昇または低下を、高いエネルギー生産効率で、およびプロセス技術的に簡単なやり方で可能にする、蒸気タービン発電設備の出力の適合方法および蒸気タービン発電設備を提供することである。とりわけ、本発明による方法および本発明による蒸気タービン発電設備により、発電事業者に、経済的な発電事業のための新たなオプションを開くべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の課題は、請求項１の特徴を有する方法によって、および請求項１４の特徴を有する蒸気タービン発電設備によって解決される。本発明の有利な形態は従属請求項の対象である。
【００１２】
本発明によれば、発電設備の有効電力を迅速かつ柔軟に上昇させるために、好ましくは正の電力網調整力を調達するために、特に好ましくは一次および／または二次調整力を調達するために、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器の放熱時に解放される熱を、発電設備の給水予熱区間に熱結合する。本発明の意味において概念「発電設備の正味電気出力」または「有効電力」とは、発電設備から電力網、とりわけ給電網に放出される電気出力のことである。貯蔵器の蓄熱は電気エネルギーを送ることで行われ、この電気エネルギーが、高い温度レベルの熱エネルギーに変換および貯蔵される。貯蔵器の放熱時の熱結合は、蒸気タービン発電所の高圧、中圧、および／または低圧の予熱区間の領域内で行うことができる。好ましいのは、熱結合が熱媒体、とりわけ熱風を介して行われることである。
【００１３】
本発明によって提案される、発電プロセスと、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器を設ける貯蔵コンセプトとの連関は、とりわけ石炭燃焼方式の発電設備の場合に有利である。
【００１４】
特に有利なのは、出力クラスが５０ＭＷel.超、特に好ましくは１００ＭＷel.超、例えば４００ＭＷel.超の大型発電所での、電気蓄熱可能な熱貯蔵器からの熱結合である。
【００１５】
それに応じて本発明による蒸気タービン発電設備は、少なくとも１つの蒸気タービンと、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器とを備えており、この場合、熱貯蔵器の放熱時に解放される熱エネルギーを発電設備の給水予熱区間に結合するための相応の機構が設けられている。
【００１６】
本発明は、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器の使用を規定しており、この熱貯蔵器内で熱エネルギーが用意され、かつこの熱エネルギーが、独立した措置としてまたは追加的な措置としても利用され、こうして発電設備の正味電気出力または有効電力が、したがってとりわけ一次および／または二次調整予備力の入手可能性が上昇する。
【００１７】
既知の復水せき止め法と比べて、本発明によって提案される電気蓄熱可能な熱貯蔵器からの熱結合は、最大で数時間の比較的長い期間にわたる発電設備の出力上昇を可能にし、これに関し、出力上昇の可能な継続時間は貯蔵容量に依存する。既知の復水せき止め法の場合とは違い、本発明による方法は、蒸気発生器が最大出力でも、比較的長い期間にわたって、高い調整予備力で、発電設備を運転することを可能にする。その他の点では、貯蔵器からの熱を発電設備の給水予熱区間に結合するという提案により、既知の復水せき止め法によって達成可能な出力上昇に相当するかまたはそれどころかさらにそれを超えて１０％以上であり得る有効電力の上昇を達成することができる。比較的簡単で安価な貯蔵技術により、本発明によって規定される熱貯蔵器からの熱結合は、従来通りに運転される発電所で既存の発電周辺装置を活用しながら追加的な措置として追加装備することもできる。これにより、発電設備の設備動特性を改善する非常に安価な可能性が提供される。
【００１８】
電気加熱可能な貯蔵器からの熱を結合することによる出力変更の反応時間は非常に短くてよく、例えば５〜２０秒の間の範囲内であり得る。これにより、発電設備の有効電力を適合するための非常に迅速な可能性も提供される。
【００１９】
熱貯蔵器は、熱貯蔵容量を数百ＭＷｈ〜１０００ＭＷｈ超までスケーリングすることができる。貯蔵器の熱出力は、５０ＭＷ超、好ましくは１００ＭＷ超であり得る。ある特定の貯蔵容量を用意するために、必要に応じて複数の熱貯蔵器を（モジュール式に形成することでも）相互に接続することができる。貯蔵器の最高温度は、１１００℃〜１３００℃の間の範囲内、好ましくは約１２００℃であり得る。
【００２０】
熱貯蔵器は、通電可能な熱導体を備えており、この熱導体は、蓄熱性材料から成る充填床内に配置されている。貯蔵器が蓄熱する際は、加熱素子が通電され、このときに発生する熱導体の熱が充填床に伝達される。放熱する際は、熱い充填床に、この場合はとりわけ熱風を発生させるために空気を貫流することができ、これに関しては、相応に設計された空気／水熱伝達器内で、熱風から給水へのその後の間接的な熱伝達を行うことができる。電気蓄熱可能な熱貯蔵器のその他の形態も可能である。
【００２１】
従来通りに運転される蒸気タービン発電設備では通常、給水予熱のために蒸気タービンから抽気蒸気の取出しが行われ、この抽気蒸気により、給水予熱区間内の少なくとも１つの給水予熱器を加熱する。この蒸気取出しにより、蒸気タービンの出力が低下する。貯蔵器の熱エネルギーを給水予熱区間に結合することにより、とりわけ正の調整力が必要な場合に、給水予熱のために規定された蒸気タービンの蒸気抽気を減らすことができ、またはそれどころか完全にストップすることができ、これにより、蒸気タービンによって生産される発電出力が、したがって電力網に放出される発電所の有効電力も上昇する。
【００２２】
この関連で本発明による方法は、発電設備の電気出力を上昇させるため、必要に応じて給水をバイパス案内において、蒸気タービンの抽気蒸気によって加熱可能な予熱区間の少なくとも１つの給水予熱器を迂回して貯蔵器へと案内し、その際に熱することができる。表現「貯蔵器へと案内」は広く解釈されるべきである。給水への熱結合は、好ましくは気体状の熱媒体（循環）を介して行われ、この熱媒体が貯蔵器を貫流し、このときに加熱される。さらにとりわけ貯蔵器の放熱時には熱風流が発生し、この熱風流が、貯蔵器の後ろに接続された熱伝達器内で、吸収した熱エネルギーを給水に放出する。この場合、貯蔵器は給水によって貫流されない。給水予熱区間内の高圧、中圧、および／または低圧の予熱器を給水側で迂回することができる。
【００２３】
本発明の意味においては、貯蔵器の熱エネルギーを給水予熱区間の高圧領域に優先的に結合する場合が有用である。これは、予熱区間の高圧予熱器への抽気蒸気管を絞ることによって可能である。蒸気タービンの高圧部分から、圧力レベルの高い、エネルギー的により高価値の抽気蒸気をあまり〜まったく取り出さなくてよいことが好ましい。貯蔵器の熱エネルギーが十分に提供されていれば、劣後的に給水予熱区間の中圧および低圧領域にも熱エネルギーを結合することができる。構造上の観点では、このために本発明による発電設備は、給水予熱の高圧側に、少なくとも１つの給水予熱器を迂回するためのバイパスを備えており、かつ好ましくは給水予熱の中圧または低圧側に、少なくとも１つのさらなる給水予熱器を迂回するためのバイパスを備えている。
【００２４】
とりわけ負の調整力が必要な場合に発電設備の有効電力を下げるため、発電設備によって生産される電気エネルギーで熱貯蔵器に蓄熱することができる。この場合、発電設備の電気出力の少なくとも一部が、電力網に供給されるのではなく熱貯蔵器の蓄熱に用いられ、これにより発電設備の有効電力が低下する。とりわけ低負荷時間中および／または高い配電網周波数の場合の、電力網内の電力需要が低下する際に、簡単なやり方で、および迅速な蓄熱時間に基づき、非常に早急に電力供給を下げることができ、したがって負の調整エネルギーの調達を実現することができる。
【００２５】
それだけでなく、とりわけ負の調整力が必要な場合に電力網からの電気エネルギーで熱貯蔵器を加熱または蓄熱することもできる。電力網からの電気エネルギーで貯蔵器に蓄熱することにより、非常に短い時間内で電力網負荷を上げることができ、したがって負の一次および／または二次調整力を調達することができる。
【００２６】
熱貯蔵器の放熱時に給水予熱部に熱結合できること、および電力で貯蔵器に蓄熱できることにより、発電設備の定格負荷運転の際にも、なかでも貯蔵容量に依存する比較的長い期間にわたって、正および負の調整力を提供することができる。発電設備を定格負荷でまたはさらに定格負荷〜最低負荷の間の範囲内で運転する場合、正の調整力を調達するには熱貯蔵器の放熱を、および負の調整力を調達するには熱貯蔵器の蓄熱を行うことができる。貯蔵された熱を給水予熱のプロセスに結合することで、数％の、とりわけ１０％以上までの出力上昇を達成することができる。これに対応する大きさで、熱貯蔵器の蓄熱により発電設備の有効電力を下げることができる。
【００２７】
発電設備の運転の動作点または出力点を下げることにより、復水せき止めおよびタービン調整弁の絞りのような、設備の動特性を改善するための既知の措置が適用される従来の発電事業に比べ、本発明による方法を用いてより多くの正および負の調整力またはより幅広い調整レンジを提供することができる。本発明による方法での発電設備の動作点は、発電設備の定格燃焼出力の９０％〜１００％の範囲内であることが好ましい。
【００２８】
電気加熱可能な熱貯蔵器の使用は、発電所の柔軟性を高め、とりわけ一次調整予備力しかしさらに二次調整予備力の、とりわけ迅速かつ柔軟な入手を可能にし、したがってとりわけ電力市場の変化における発電設備の経済的な運転を保証する。発電プロセスと電気蓄熱可能な熱貯蔵器とを連関させることで、とりわけ発電設備の一次および二次調整能力が改善され、こうして発電事業者に、非常に経済的な発電事業のための新たなオプションが開かれる。一次および二次調整予備力は、追加的な電力網サービスとして提供および販売することができる。
【００２９】
発電設備の最低負荷は、第一に燃焼によって制限されており、かつ燃料に応じて様々な限界値を有している。石炭火力発電所では、最低負荷を定格燃焼出力の約１５％に下げることができる。電力需要の少ない時間中は、とりわけ電力網への電力の供給によって達成可能な電気料金が発電設備の電力生産費未満である場合には、さらにとりわけいわゆる「オフピーク時間」中は、発電所は最低負荷で運転される。この場合、従来の発電コンセプトでは、発電設備の最低負荷運転中は通常、負の調整力を提供することができない。これに対して本発明による方法は、発電設備の最低負荷運転時に、とりわけ低額の電気料金の際に、負の調整力を調達するため、発電設備によって生産される電気エネルギーの少なくとも相応の割合で、貯蔵器に蓄熱することができる。したがって最低負荷での発電設備の運転時に、発電プロセスで生産される電気エネルギーで熱貯蔵器に蓄熱することにより、電力網に放出される発電設備の有効電力を減らすことができ、こうして負の調整力を調達することができる。負の一次および二次調整予備力は、追加的な電力網サービスとして提供および販売することができ、これは設備運転の高い経済性をもたらす。
【００３０】
発電設備の有効電力は、発電設備の最低負荷運転時に、貯蔵器の蓄熱性能、つまり貯蔵器の蓄熱時に熱エネルギーに変換される、蓄熱時間に対する電力量を変更することにより、電力網調整力の需要に簡単に適合することができる。熱貯蔵器には、最低負荷の際に発電設備によって生産される電気出力の０〜１００％の割合で蓄熱できることが好ましい。電気料金が低額の時間中は、例えば発電設備の全電気出力を熱貯蔵器の通電に用いることができる。電力網内の電力需要が上昇すると、発電出力のうち熱貯蔵器の通電に用いられる割合を必要に応じて０に減らすことができ、これにより、全発電出力を再び完全に電力網に供給することができる。蓄熱性能を迅速に変更できることにより、発電設備の有効電力を、電力網内の需要の変化に柔軟かつ非常に即座に適合することができる。
【００３１】
例えば、最低負荷の際に生産される発電設備の電気出力が定格出力の１５％である場合、発電設備の最低負荷運転時に例えば定格出力の７．５％の割合で熱貯蔵器に蓄熱することができる。これに対応して発電設備の有効電力は定格出力の７．５％に下がる。熱貯蔵器の蓄熱性能を定格出力の１５％に上げることで、発電設備の有効電力を０に下げることができる。貯蔵器の蓄熱性能を下げることで、発電設備の有効電力を再び上げることも、熱貯蔵器の蓄熱をストップさせれば定格出力の最大１５％まで上げることも良好に可能である。
【００３２】
貯蔵器の最大蓄熱性能は、少なくとも最低負荷運転時の発電出力に相当することができる。したがって熱貯蔵器の蓄熱性能は、最低負荷運転時の発電設備によって生産される全電力を熱に変換および貯蔵するために十分である。
【００３３】
発電設備によって生産される電気エネルギーでの熱貯蔵器の通電は、有効電力または電力網への電力供給を減少させる。熱貯蔵器の蓄熱性能が十分に大きければ、それだけでなく電力網負荷を上昇させるために、およびさらなる負の調整力を調達するために、発電設備の最低負荷運転時に追加的に給電網からの電気エネルギーで熱貯蔵器に蓄熱することができる。熱貯蔵器に蓄熱するために電力網から電気を取り出すことによる追加的な調整力の調達は、現況技術から知られている発電コンセプトではもたらされない非常に経済的な設備運転のための新たなオプションである。
【００３４】
その他の点では、発電所の運転停止後でさえ、電力網からの電気エネルギーで熱貯蔵器の蓄熱を行うことができ、したがって発電設備が運転停止の状態でも負の調整力を調達することができる。
【００３５】
貯蔵器の放熱に関しては、熱い蓄熱材料に空気流を通し、これにより熱風流を発生させ得ることが好ましい。この熱風流が、例えば２ｂａｒ超、好ましくは３ｂａｒ超、さらに好ましくは３．５ｂａｒ以上の上昇した圧力レベルで存在する場合、需要に応じて追加的な電気エネルギーを生産するために、したがって発電設備の有効電力をよりいっそう柔軟に出力需要に適合させ得るために、熱風流を、給水予熱区間への熱結合の前に膨張機内で減圧することができる。これについては、そうして発電プロセスの全効率を上昇させることができる。
【００３６】
以下に、図面に基づいて本発明を例示的に説明する。示した本発明の実施形態の同じ設備コンポーネントには同じ符号を付している。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】電気蓄熱可能な熱貯蔵器を備えた本発明による蒸気タービン発電設備の簡略化した設備図であって、この場合、放熱時に解放される熱エネルギーを、給水予熱のために発電設備の給水予熱区間に結合することができる。
【図２】図１に示した蒸気タービン発電設備の改変された一実施形態の簡略化した設備図であって、この場合、貯蔵器の放熱時に発生する熱風流は、熱結合の前に膨張機内で減圧される。
【図３】蒸気タービン発電設備の出力を迅速かつ柔軟に適合するための本発明による方法の簡略化したプロセスフロー図である。
【図４】給水予熱のために電気蓄熱可能な熱貯蔵器を使用することによる、蒸気タービン発電設備での設備の動特性の改善を示す概略図である。
【図５】定格負荷付近での蒸気タービン発電設備の運転時の、給水予熱のために電気蓄熱可能な熱貯蔵器を使用することによる、設備の動特性の改善を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１は、概略的に示した蒸気タービン２を備えた蒸気タービン発電設備１の簡略化した設備図を示しており、蒸気タービン２は、高圧部分、中圧部分、および低圧部分を有することができる。それだけでなく水／蒸気動作循環４の給水予熱区間３を概略的に示しており、給水予熱区間３内では、給水がその後の蒸発のために予熱される。発電プロセス内で生産される正味電気出力または有効電力５は給電網に供給される。電力生産のために蒸気力プロセス内で必要なさらなる設備コンポーネントは図１には示していない。
【００３９】
発電設備１の有効電力５を迅速かつ柔軟に適合するために、さらに好ましくは必要に応じて正および負の電力網調整力を調達するために、少なくとも１つの電気蓄熱可能な熱貯蔵器６が設けられている。貯蔵器６に蓄熱するために、給電網７から電気出力７を取り出すことができ、かつ／または発電設備１によって生産される電気エネルギーの一部が用いられ、これは給電網に供給される有効電力５を低下させる。
【００４０】
電気貯蔵器６は、電気エネルギーを熱エネルギーに変換するための少なくとも１つの電気熱導体と、蓄熱材料、とりわけ蓄熱性材料から成る充填床とを備えることができる。達成可能な貯蔵器温度は、１０００℃〜１３００℃の間、好ましくは１１００℃〜１２００℃の間であり得る。貯蔵器６の放熱のために空気流８が熱い蓄熱材料を通って案内され、この場合に好ましくは５００℃超、とりわけ７００℃超の温度へ熱せられる。空気流８は、２ｂａｒ超、とりわけ３ｂａｒ超、例えば３．５ｂａｒの圧力で貯蔵器６に送ることができる。空気流８を圧縮するために圧縮機９が設けられている。貯蔵器６から出てくる熱い空気流８を給水予熱に用いる。給水予熱区間３内では、熱い空気流８から液状の給水への好ましくは間接的な熱伝達が行われる。
【００４１】
後で図３に基づいてさらに詳細に説明するように、給水予熱のために貯蔵器６から発電プロセスに熱エネルギーを結合することは、発電設備１の電気出力の迅速かつ需要に応じた上昇を、とりわけ正の調整力の調達を可能にする。それだけでなく、とりわけ負の調整力を調達するために、発電設備１によって生産される電力で貯蔵器６に蓄熱することにより、需要に応じて発電設備の有効電力５を下げることができ、こうして電力網への電力の供給を減らすことができる。それだけでなく電力網からの電気出力７で貯蔵器６に蓄熱することにより、電力網負荷を上昇させることができ、したがって負の調整力を調達することができる。
【００４２】
図２に示した発電設備１の場合、効率を高めるために、および発電設備１の出力適合の際の柔軟性を高めるために、圧縮されて貯蔵器６内で加熱された空気流８を、貯蔵器６から出た後で給水に熱伝達する前に減圧するための少なくとも１つの膨張機１０が設けられている。このときに生産される電気出力１１は電力網に供給することができる。
【００４３】
図３では、蒸気タービン発電設備１の有効電力５を迅速かつ柔軟に適合するための蒸気力プロセスの簡略化したプロセスフロー図を示している。発電設備１が、蒸気力プロセスの実現に必要なさらなる図示されていない設備機器および設備コンポーネントを備え得ることは自明である。
【００４４】
以下に図３に基づいて、従来通りに運転される蒸気力プロセスを説明する。蒸気力設備１は、少なくとも１つの高圧部分１２と、少なくとも１つの中圧および低圧部分１３とを備えた蒸気タービン２を有している。発電設備１の給水予熱区間３は、少なくとも１つの低圧予熱器１４、給水容器１５、ポンプ１６、および少なくとも１つの高圧予熱器１７を備えている。さらなる給水予熱のためにエコノマイザー１８が用いられる。予熱の後、給水１９を蒸化器２０内で蒸発させ、そして過熱器２１内で蒸発温度より高く、それ自体は通常のやり方で加熱する。過熱された蒸気２２はその後、まずは蒸気タービン２の高圧部分１２内で減圧され、続いて中間過熱器２３内で再び熱せられる。蒸気２２はその後、蒸気タービン２の中圧および低圧部分１３内で完全に減圧され、そして復水器２４内で凝縮する。凝縮の際に生成される給水１９は、低圧予熱器１４を経て給水容器１５に達する。ポンプ１６により給水１９を給水容器１５から高圧予熱器１７を経てエコノマイザー１８に送る。
【００４５】
従来通りに運転される蒸気力プロセスでは、高圧予熱器１７および低圧予熱器１４の加熱が、蒸気タービン２の高圧部分１２ならびに中圧および低圧部分１３から抽気蒸気２５、２６を取り出すことによって行われる。この蒸気取出しにより、蒸気タービン２の出力が低下する。発電設備１によって生産される有効電力５を上昇させるために、現況技術からは復水せき止め法が知られている。この場合は、低圧予熱器１４を通る復水の質量流量を減らす。その結果、低圧予熱器１４の抽気蒸気の質量流量を相応に減らすことができ、したがってより多くの蒸気２２が蒸気タービン２内に留まり、これにより蒸気タービン２によってより多くの電気出力が生産される。復水せき止めによって提供可能な超過出力は、復水の質量流量のための貯蔵器容積および蒸気発生器の最大出力によって制限されている。それだけでなく現況技術からは、有効電力５を上昇させるために高圧予熱器１７への抽気蒸気量を絞ることが知られており、しかしながらこの場合は高圧予熱器１７の熱負荷が高くなる。その他の点ではボイラー炉を相応に過大にしなければならず、なぜなら、この場合には蒸気発生器２０が比較的冷たい給水１９を得るからである。
【００４６】
短期的に、迅速に、かつ一時的に発電設備１の出力適合を達成する、とりわけ需要に応じて正および／または負の電力網調整力を調達するという可能性を提供するために、図３に示した発電設備１では、上述の従来通りに運転される蒸気力プロセスとは異なり、電気蓄熱可能な熱貯蔵器６からの必要に応じた熱結合が規定されている。貯蔵器６は、構造および機能方式により、図１および図２に基づいて説明した熱貯蔵器６に相当することができる。給水１９を、バイパスを介し、低圧予熱器１４を迂回して貯蔵器６へと案内することができ、かつ貯蔵器６内で加熱された熱風流８の熱伝達によって予熱することができる。もう１つのバイパスを介し、給水１９をポンプ１６の後に高圧予熱器１７を迂回して貯蔵器へと案内することができ、そこでさらに熱することができる。続いて、熱せられた給水１９はその後、エコノマイザー１８に達する。これに関し、示した設備コンセプトは、給水１９の部分質量流量２７を、低圧予熱器１４の傍らを通りすぎて熱貯蔵器６を経るように案内し、その際に熱して、続いて給水容器１５へと案内することを可能にし、その際、給水１９の残りの部分質量流量２８は、低圧予熱器１４を経るように案内され、その際に熱せられる。貯蔵容量に応じて、給水の全流量を、貯蔵器６を経るように案内し、熱風流８の熱伝達により熱することもできる。同じことを給水予熱区間３の高圧領域に当てはめることができる。給水１９の部分質量流量２９をポンプ１６の後に、高圧予熱器１７の傍らを通りすぎて貯蔵器６を経てエコノマイザー１８へと案内することができ、その際、残りの部分質量流量３０は、高圧予熱器１７を経るように案内され、その際に熱せられる。貯蔵容量に応じて、給水の全流量を、ポンプ１６の後に貯蔵器６を経るように案内し、その際に熱することもできる。好ましいのは、給水１９の部分質量流量２７、２９だけを貯蔵器６を経るように案内し、その際に熱することであり、というのもそうでなければ大きな貯蔵容量が必要だからである。
【００４７】
蒸気タービン２によって生産される電気出力の少なくとも一部を貯蔵器６の蓄熱に利用することができ、これにより、発電設備１の有効電力５が低下する。電力網からの電気出力での蓄熱も可能である。図３に示した設備コンセプトにより、発電設備１の有効電力５の迅速かつ柔軟な変更を達成でき、かつ調整予備力の高い入手可能性を保証でき、したがって発電設備の非常に経済的な運転を達成することができる。
【００４８】
発電設備１の有効電力５の上昇または低下のための反応時間は、５〜２０秒の範囲内であり得る。貯蔵器６の最大放熱継続時間は、貯蔵器６の蓄熱容量に依存しており、数時間であり得る。
【００４９】
図４は、給水予熱のために電気蓄熱可能な熱貯蔵器を使用することによる、蒸気タービン発電設備の設備動特性の改善を概略的に示している。図４からは、設備の動特性を改善するための異なる措置に対する、従来通りに運転される発電設備の正味電気出力Ｐnetto（有効電力）の出力推移３１および改変された発電設備の正味電気出力Ｐnetto（有効電力）の出力推移３２が明らかであり、この場合、改変された発電設備では、設備の動特性を改善するための措置として、少なくとも１つの電気蓄熱可能な貯蔵器の蓄熱および放熱が上述のように規定されている。これに対して従来の発電設備は、設備の動特性を改善するためのそれ自体で現況技術から知られている措置、とりわけ復水せき止めを規定することができる。
【００５０】
発電炉の定格燃焼出力つまり定格負荷〜最低負荷の間の負荷状態での発電設備の運転を示している。従来通りに運転される発電設備により、定格負荷では、発電設備の定格出力に相当する有効電力Ｐ１が電力網に供給される。出力低下が必要な場合、例えば復水の質量流量の減少および蒸気発生器の燃焼率の低下により、有効電力Ｐ１を期間ｔ１で有効電力Ｐ２に下げることができ、有効電力Ｐ２は、最低負荷の際の従来の発電設備の出力に相当する。従来の発電設備の有効電力のさらなる低下は、発電設備の運転停止によってのみ可能であり、この場合、発電設備の有効電力を最低負荷運転での有効電力Ｐ２から期間ｔ２で０に下げることができる。
【００５１】
改変された発電設備の出力低下は、期間ｔ３にわたり、熱貯蔵器の電気蓄熱によって達成することができ、この場合は有効電力Ｐ１が、貯蔵器の蓄熱に用いられる電力量だけで、低下した有効電力Ｐ３に下がる。図４からさらに分かるように、改変された発電設備での貯蔵器の蓄熱による有効電力の低下は、従来通りに運転される発電設備に比べて明らかにより迅速な出力低下を引き起こす。その後、最低負荷運転時の有効電力Ｐ２に達するまでの有効電力のさらなる低下は、蒸気発生器の燃焼出力の低下によって期間ｔ４で可能である。
【００５２】
それだけでなく最低負荷運転時にも、発電設備によって生産される電気エネルギーの少なくとも相応の割合で、熱貯蔵器に蓄熱することができ、したがって改変された発電設備の有効電力は、貯蔵器の通電により、有効電力Ｐ２から期間ｔ５でさらに０に下げることができる。その後、最低負荷運転を続行する場合、改変された発電設備によって生産される全電気エネルギーが貯蔵器の蓄熱に用いられ、電力は電力網に供給されず、これは有効電力０に相当する。発電設備によって生産される全電気エネルギーでの貯蔵器の蓄熱は、貯蔵容量に応じて期間ｔ６にわたって維持することができ、またはより長く維持することもでき、この期間ｔ６は、好ましくは数時間であり得る。
【００５３】
図４で示した改変された発電設備の出力推移３２の真ん中の領域から分かるように、需要に応じて熱貯蔵器の蓄熱をストップすることができ、したがって改変された発電設備の有効電力を０から再び有効電力Ｐ２に、それも比較的短い期間ｔ７で上げることがでる。これで発電設備は、例えば期間ｔ８にわたって最低負荷でさらに運転することができ、この場合は有効電力Ｐ２を電力網に供給することができる。熱貯蔵器の蓄熱性能を変更することにより、有効電力を電力網調整力のその時の需要に簡単に迅速に適合することができる。この場合、最低負荷運転時の発電出力の好ましくは０〜１００％を熱貯蔵器の蓄熱に用いることができ、したがって有効電力の需要志向の適合が大きな出力レンジで可能である。
【００５４】
加えて図４から分かるように、熱貯蔵器の最大蓄熱性能は、最低負荷運転時の発電出力より大きくてもよく、これにより、とりわけ追加的な電力網調整力を調達するために給電網からの電気エネルギーで熱貯蔵器に蓄熱することができる。それにより、改変された発電設備の最低負荷運転中に、より多くの負の調整力を提供することができ、これを図４では、改変された発電設備の出力推移３２に関する負の値によって概略的に示している。
【００５５】
それだけでなく、改変された発電設備の運転停止後にも、給電網からの電力で熱貯蔵器の電気蓄熱を続行することができ、これにより引き続き負の調整力を提供することができる。
【００５６】
図５は、復水せき止めによる従来通りに運転される蒸気タービン発電設備の場合（出力推移３３）および電気蓄熱可能な熱貯蔵器との連関による改変された蒸気タービン発電設備の場合（出力推移３４）の正味電気出力Ｐnetto（有効電力）の出力適合のための可能性を概略的に示している。
【００５７】
従来通りに運転される発電設備の定格負荷運転の場合、復水せき止め法により、比較的短い期間ｔ９の間の、定格出力Ｐ１から出力Ｐ１’への有効電力の上昇が可能であり、この期間ｔ９は、通常の発電所設計の場合は数分の範囲を超えない。出力上昇は、定格出力Ｐ１の約１０％であり得る。定格出力Ｐ１から低下した出力Ｐ１”への相応の出力低下は、出力変化をもたらすためのその他の迅速に作用する措置、例えば高圧のタービン調整弁の絞りによって可能である。従来の発電設備は、比較的長い時間にわたって正の調整予備力を調達するには、通常は、定格燃焼出力未満で、例えば低下した出力Ｐ１”で運転しなければならない。
【００５８】
従来通りに運転される発電設備の場合に設備の動特性を改善するために規定された措置によって達成可能な正および負の調整予備力は、図５では矢印３５、３６によって概略的に表されている。
【００５９】
改変された発電設備は、電気蓄熱可能な熱貯蔵器から給水予熱区間への熱結合に基づき、数時間を含み得る明らかにより長い期間ｔ１０にわたり、定格負荷運転で達成可能な有効電力Ｐ１より高い有効電力Ｐ１’で運転することができる。熱貯蔵器からの熱の結合による出力上昇は、従来の発電設備での復水せき止めによる出力上昇に相当し得るかまたはそれを超えることもできる。同じ大きさで、発電プロセス内で生産される電気エネルギーでの熱貯蔵器の蓄熱により発電設備の有効電力Ｐ１を下げることができる。これを図５では矢印３７、３８によって概略的に示している。その結果、改変された発電設備の動作点を、従来通りに運転される発電設備の動作点より高くすることができ、その際、同じ調整力レンジを提供することができる。
【００６０】
その代わりに、改変された発電設備の動作点を従来通りに運転される発電設備の動作点へと相応に下げれば、より幅広い調整力レンジを提供することができる。この可能性を図５では矢印３９、４０によって概略的に表現している。
【符号の説明】
【００６１】
１  発電設備
２  蒸気タービン
３  給水予熱区間
４  水／蒸気動作循環
５  有効電力
６  貯蔵器
７  出力
８  空気流
９  圧縮機
１０  膨張機
１１  出力
１２  高圧部分
１３  中圧および低圧部分
１４  低圧予熱器
１５  給水容器
１６  ポンプ
１７  高圧予熱器
１８  エコノマイザー
１９  給水
２０  蒸化器
２１  過熱器
２２  蒸気
２３  中間過熱器
２４  復水器
２５  抽気蒸気
２６  抽気蒸気
２７  部分質量流量
２８  部分質量流量
２９  部分質量流量
３０  部分質量流量
３１  出力推移
３２  出力推移
３３  出力推移
３４  出力推移
３５  出力増加
３６  出力減少
３７  出力増加
３８  出力減少
３９  出力増加
４０  出力減少
【図１】
2019526010.tif 000003
【図２】
2019526010.tif 000004
【図３】
2019526010.tif 000005
【図４】
2019526010.tif 000006
【図５】
2019526010.tif 000007
【図６】
2019526010.tif 000008
【国際調査報告】
2019526010.tif 000009
2019526010.tif 000010
2019526010.tif 000011
2019526010.tif 000012
2019526010.tif 000013
2019526010.tif 000014